减推力起飞爬升的发展应用研究

吴小松 腾格尔

摘 要：飞机的减推力起飞和爬升对发动机的在翼寿命有着积极正面的影响，但是在爬升过程中增加了时间和油耗。通过对比分析，排除了各种疑团，找到问题的答案。

关键词：飞机；发动机；减推力；起飞；爬升

中图分类号：V24 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）20-0050-02

当前全球航空公司均大力推进发动机减推力起飞的开展，中国的航空公司在其中占据了重要的地位。根据现有的飞机起飞程序及环保的减排政策，发动机的使用方——飞行部门和发动机的管理方——机务部门，对这个问题持有不同的态度、理解方式及操作倾向。此文综合考虑公司政策和环保政策，就减推使用倾向给予航空公司提供建议和意见，各公司可以按照当前自身运行情况及特点综合考虑。

1 使用减推力起飞的原因

为什么要使用起飞和爬升减推力？很简单，目的是为了省钱。我们常以每小时（循环）的维修成本来表示发动机维护费用的多少，每次大修的小时成本等于大修总成本除以两次大修之间使用的小时数或循环数，因此，如果我们能够最大限度延长大修之间的飞行时间或循环，就可以最大的降低每小时或循环的发动机维护成本。

大修间隔的时间或循环与发动机的使用运行方式直接相关。影响发动机运行的因素如下：年度使用率，发动机大部分部件的维护需求基于使用时间或循环和航程。部件的磨损率主要基于发动机的使用循环和小时循环比，这不仅是发动机运行的时长，还包括发动机启动和停转的次数。此外，除了环境因素，飞机起飞爬升时，沙尘和气温等因素会影响发动机的内部温度，同时也影响发动机转子的转速。同时发动机的操纵方式，以及减推力的应用，也会大大影响发动机转子的转速和内部温度。而减推力的水平，取决于飞行员对飞机起飞爬升的操作。值得注意的是，发动机的内部温度和发动机内部磨损之间不存在线性关系，温度越高，磨损程度不成比例增大，但是与发动机高温区域的高压涡轮导向器和高压涡轮叶片的烧蚀有着直接联系。随着发动机部件的磨损和烧蚀，要达到既定的推力水平就会需要更多的燃油供给，从而产生更高的发动机排气温度。

然而，发动机的排气温度有上限，也就是红线，如果距离红线的边际较小，大概率会近期需要拆下发动机进行修理。减推力越多就越能减慢发动机排气温度上升的速度，也就是发动机的在翼时间得到延长，从而降低发动机的维修成本。值得注意的是，这一原理适用于所有的涡扇发动机，其实也是一种物理现象。

另外如果减缓发动机部件的磨损率和烧蚀，尤其是高压压气机和涡轮直接的核心区域，也可以提高发动机生命周期的燃油效率。因此高效的减推力策略有助于实现发动机运行的成本效率最大化，降低维护成本的同时也降低燃油成本。这些都可以省钱。

在发动机的生命周期内，一般送修原则是由安全和性能两方面共同决定的，而两者的表现一般也是有一定的关联的：随着高温部件烧蚀的恶化，发动机做工效率降低，排气温度升高，发动机性能表征其一的EGTM随之下降。通过使用减推力起飞，降低了排气温度，减缓了高温部件的烧蚀情况，同时减缓了EGTM的下降速率。以下为国内北方某公司执管的B737-800型飞机的使用数据如表1。

该公司从2017年开始在机队内推广推进减推力起飞执行，通过对比发动机EGTM年衰退率可以发现，在推广减推力起飞后，2017年EGTM不仅没有衰退，反而有所回升；同时对比发动机两年内高温部件孔探的变化趋势，其热障涂层因烧蚀导致的剥离变化不大，且已发生的烧蚀基本未有扩展。综合两种情况，可以为发动机延迟送修提供安全保障。

2 减推力起飞对于发动机使用的影响

爬升推力和高度，发动机通常提供多个爬升速率供飞行员选择。最大爬升可在整个爬升期间提供最大的爬升升力，我们将这个推力水平作为基数。设定爬升减推力的时候，较小高度的推力小于最大爬升。飞机不同可以选择的范围不同，737-800飞机的假设温度减推力最大到25%。

所有大型飞机发动机的制造商都希望，无论选择哪种爬升和减推力，都能为飞机提供相同的高度能力。这也就是说，无论在爬升期间如何选择，都能达到预期的巡航高度。为了让飞机具备这种能力，在接近巡航高度的时候必须将推力增至最大爬升，这叫推力恢复。所以发动机制造商和飞机制造公司检测爬升期间选择的爬升减推，用以评估操作的剧烈程度，为什么制造商关注爬升减推力水平呢？爬升力对排气温度的影响，很明显，涡扇发动机排气温度会在飞行过程中不断变化，这取决于飞行员对飞机和发动机的操纵：对比起飞到巡航之间的温度变化，如果飞行员选择最大起飞重量对应的推力，发动机的温度将随着发动机的转速的增加而升高，然后再前向速度增加时略微降低，飞机在最大爬升推力下进入爬升阶段时，发动机温度略為下降，随后在接下来20至25分钟内保持稳定。在飞机起飞时减推力会大幅降低发动机的温度，当然也会节约发动机的维护成本，但是如果飞行员随后选择最大爬升推力，发动机内部温度在起飞后升高，大部分减推力的好处都会在接下来25分钟被抵消。但是飞行员如果选择适当的爬升减推力，温度就会保持在较低的水平，发动机的获益也不会损失，同时也有效的保证了排气温度距离红线的边际较大。当然使用较低的爬升推力意味着达到巡航高度需要更长的时间，我们可以观察到，这种爬升恢复，随着飞机达到爬升顶点达到巡航高度而提高发动机温度维护成本当然与温度有关，但是也取决于在这些温度下的操作时间。在起飞时减推力是最重要的，因为此时的发动机温度时最高的。但是在爬升时减推力也很重要，因为虽然温度的峰值没有那么高，但是爬升的时间约是起飞时间的10倍。

国际某公司监控的有效减推力包括部分平均起飞减推力和部分平均爬升减推力，参见图1。外界温度越高，发动机就要运转更快。所以在计算有效减推力时，需要考虑外界温度计算有效减推力。

CFMI公司认为有效减推力需要计算起飞、爬升和巡航期间所有的减推力情况。但目前737NG飞机使用的CFM56-7B发动机，CFMI认为对发动机影响最大的阶段也是起飞阶段（参见图2），且现有的RD监控系统中监控的是起飞阶段减推力的使用情况，并且CFMI公司对起飞减推力的操作也是大力推广，此操作对发动机的大修费用有着显著的影响，且此阶段的时间很短对航段全程的油耗影响很小。

3 对减推力起飞有影响的其他因素

大部分发动机制造商还对其发动机提供包修，有效减推力和包修费率就直接关联起来了。起飞爬升期间的减推力越大，有效减推力水平越高，小时包修费率越低，当然也需要考虑平均航程，年利用率和环境因素，因为这些因素都影响发动机的维护成本。也就是说飞行操作程序也会影响发动机的維护成本，减推力的程度也有安全的限制，且安全的临界点也已被制造商考虑在内。这些都关系到航空公司的切身利益。有效减推力比例简单的反应了发动机的操作剧烈程度，发动机磨损/烧蚀率和在翼时间。另外一个很重的观点，有效减推力还可以实现发动机生命周期的燃油效率，还能将发动机高的燃油效率维持更长的时间。

但是很多人对爬升减推操作有一个常见的误解，飞机从一个城市飞到另外一个城市，使用最大爬升推力，飞机迅速爬升到巡航高度，最大限度的延长了巡航时间，另一方面，通过爬升减推，我们知道的是需要更长的时间达到巡航高度，因此需要更多的燃油。下面对其进行全面的分析：单独看爬升阶段，这是一个常见的导致误解的原因。如果我们计算整个飞行阶段所消耗的燃油，就会发现，整个航程的油量和整个飞行时间仅受到爬升减推力的轻微影响。引用罗罗公司的一个例子，使用某比例的爬升减推力会使得爬升阶段油耗增加900kg，单看这一个阶段，这不是一个小数字。但是爬升时间长，爬升的距离也更长，增加地面距离60海里，在后面的飞行中所需的时间和燃油就相应的减少，从航程来看时间差距仅仅多了1分钟，这就微不足道了，总油耗只是增加了49kg，这个数字不实很大，但是仍然是增加，航空公司也可以通过其他方法控制燃油消耗率的上升。然而对比发动机维护成本或包修小时费率以及发动机起飞超温的概率，这些成本节省是巨大的，也是航空公司的多出来的收益，大多数公司都会以大局出发选择适合自己的方式。各航空公司发动机包修协议或飞机租赁协议中对发动机减推力的条款清晰可见，引用数据的话可以初步预测，当然协议的条款取决于各航空公司的协议谈判能力。同时，了解ICAO等相关组织对飞机尾气排放及噪音等方面的研究及要求，飞机发动机尾气中主要由碳氧化物、氮氧化物及碳氢化物组成，基于减推力起飞过程中，燃油流量相对较低，易使燃烧更加充分，本文暂不考虑碳氢化物对环境的影响，另外两者分别会在低空（碳氧化物为温室气体）和高空（氮氧化物对臭氧转化起催化作用）产生更大的影响，而高空主要是横向风，低空主要是纵向风，高空污染物的污染时效更持久；但由于减推力起飞对爬升时间的实际影响不大，其对空气污染无太大差异。另一方面则是对噪音的控制，由于机场普遍距离人口密集区较远，其延长的爬升时间导致的噪音接收区域的扩大的影响也相对低。

4 结语

有很多因素会影响发动机推力的使用，由起动发动机开始的一系列因素会决定发动机使用的剧烈程度或有效减推比例，并最终也会体现在航空公司的成本/收益上。发动机减推力起飞和爬升是航空公司可以控制，管理和优化的一个方面。这会使得油耗稍微增加，但会让发动机的维护成本大幅度减小，尽管很难量化，但是减推力带来的高燃油消耗效率的更好保持也会带来全寿命周期的燃油节省得到大量收益。同时让发动机距离红线的距离越来越远。